基于PID的直流电动机转速控制系统设计

任书海，游华明

（信阳涉外职业技术学院 河南 信阳 464000）

0 引言

在直流电动机运行的过程中，对转速进行合理的控制是保障电动机输出能够与实际应用需求相契合的重要基础[1]。但是，在实际的应用过程中，由于电动机自身也存在一定的振荡作用，对于实际转速的采集以及相关控制措施的实施效果都会产生一定的影响。针对该问题如何实现对直流电动机转速的精细化控制成为了备受关注的研究热点之一[2]。其中，陈剑锋等[3]以无刷直流电动机为研究对象，将数字信号处理（digital signal processing,DSP）技术应用到控制系统的设计之中，实现了双闭环伺服控制，控制效果具有较高的精度，但是受电动机原始扰动强度的影响较为明显。于洋等[4]以永磁同步电动机为研究对象，将自适应神经网络应用到位置伺服控制系统的设计之中，大大提高控制的稳定性，但是在非恒态的模式下，控制效果存在一定的提升空间。通过对上述的研究成果进行分析不难看出，对于电动机运行状态的控制仍然需要进一步深化研究。

在上述基础上，本文设计了一种基于PID的直流电动机转速控制系统，分别对具体的硬件和软件进行了针对性研究，并在对比应用测试中分析验证了设计控制系统的作用效果。借助本文的研究内容，希望能够为实际电动机运行状态控制提供有价值的参考。

1 系统总体架构设计

为了完成基于PID的直流电动机转速控制系统设计，构建由用户层、服务层和数据层所组成的三层架构模式[5]。利用用户层获取直流电动机转速实时数据，通过服务层中的比例调节模块、积分校正模块、微分控制模块实现直流电动机转速调节控制，以数据层中的控制衔接模块保障直流电动机稳定输出。基于PID的直流电动机转速控制系统设计架构如图1所示。

图1 系统总体架构

2 模块设计

本系统主要分为五个功能模块，包括数据采集模块、比例调节模块、积分校正模块、微分控制模块、控制衔接模块。下面对电力应急指挥调度系统的功能模块进行设计。

2.1 数据采集模块

直流电动机转速控制系统为集中管理组织，即由多个Agent组成，利用Java编程语言设计数据采集程序[6]，确保获取直流电动机转速数据的实时性。同时，建立MySQL基础数据库[7]，通过申明变量、给变量赋值的方式存储采集数据，为后续直流电动机转速调节控制提供技术支持。

2.2 比例调节模块

通过比例增益的方式调节直流电动机转速控制参数。利用Aspose系列控件[8]调节霍尔传感器电角度，在RS485-自定义协议下，通过RS485-MODBUS进行通信，借助CAN-自定义的方式实现通信控制，确保系统在非恒态下的稳定性。

2.3 积分校正模块

针对不同直流电动机输出功率，在系统数据的基础上设定积分校正。采用MICROCHIP-CF745-04/SO芯片设计Script脚本程序代码[9]，按照电源电压、输入电流、持续单路电流、单机功率、霍尔电压、电机极对数、加/减速度和调速范围对误差的一阶导进行计算，有效减轻服务器端的压力，降低电动机原始扰动强度。

2.4 微分控制模块

设计直流电动机转速控制系统时，需要考虑发散性的震荡，将直流电动机运行基础数据进行UML格式文档转换[10]，根据变化率变化情况调整输入和输出数值，增强硬件和软件之间的透明度，让系统达到最佳的控制效果。

2.5 控制衔接模块

通过OLE DB和ODBC[10]对直流电动机运行时的欠压保护、过压保护、功率输出保护、短路保护、过流、过载保护、堵转保护以及霍尔传感器错误保护等进行控制衔接。将用户层、服务层和数据层进行连接，保障控制装置有效结合实际情况，提高直流电动机过载能力。

3 关键参数设置

3.1 构建目标函数

本文结合电动机转速控制的可执行性，将线性函数作为PID控制装置的输出。其中，控制偏差是影响最终直流电动机实际转速的主要因素，也是系统设计的关键控制点，该参数的计算方式可以表示为

其中，xr（t）表示目标转速参数，y（t）表示直流电动机的实际转速参数。按照式（1）所示的方式，控制目标是e（t）=e（t）min。以此为基础，当服务层接收到来自用户层的实时转速数据后，对参数与目标转速进行差值计算，避免直流电动机自身存在的振荡作用对数值计算的影响。

3.2 基于PID的转速控制

将控制偏差作为PID控制参数计算和修正的基础，依托PID控制理论，通过直接数字控制模式设定比例、积分、微分控制误差参数，明确直流电动机转速控制操作量。

运用模糊规则获取PID控制参数的增量值，对直流电动机转速参数进行实时调整，保证直流电动机动态控制效果最佳，具体的PID控制计算方式可以表示为

公式（2）中，P表示比例因子，I表示积分因子，D表示微分因子，KP表示比例控制参数，KI表示积分控制参数，KD表示微分控制参数，KPO、KIO、KDO表示三个控制参数的初始值，ΔKP、ΔKI、ΔKD表示模糊控制增量。

利用二次性能函数对PID控制参数进行设置，完成PID控制装置的信号输出，其可以表示为

其中，xj表示采集的转速数据，δ表示权系数。对于权系数，具体的计算方式可以表示为

其中，η表示学习速率，为了保障控制的精度，设置该参数的取值范围为（0，1）。需要注意的是，为理论值，无法直接应用到具体的参数设置中。针对该问题，本文采用差商近似[11]的方式对其进行量化处理，计算方式可以表示为

将式（5）代入到式（4）中，即可得到直流电动机转速PID控制装置输出参数，保障最终的控制结果能够满足要求。至此完成了对系统软件的设计，结合系统硬件功能模块设计，实现基于PID的直流电动机转速控制系统设计。

4 系统应用测试

4.1 测试环境

在测试阶段，本文搭建了以无刷直流电动机及直流发电机为核心的实验台，为了能够更加直观地对系统的控制效果进行分析，借助Tektronix TDS3052B数字存储示波器对电动机的实时运行状态进行展示。其中，无刷直流电动机的型号为1FT5042，包括3对极，直流侧的额定电压和额定相电流参数分别为95.0 V和1.5 A，在正常运行状态下，1FT5042的额定输出转矩为0.5 N·m，可执行的最高转速为3 000 r/min。在此基础上，为了模拟运行下无刷直流电动机的状态，本文将浙江天煌科技的直流发电机作为外部负载，与无刷直流电动机建立同轴连接关系。图2为实验台的具体构成。

图2 测试实验台

其中，直流发电机最高转速为1 800 r/min。在此基础上，在无刷直流电动机处于初始启动状态开始，分别设置其按照1 000 r/min的加速度运行至转速达到2 500 r/min，运行5 min后，控制电动机按照500 r/min的加速度减速至2 000 r/min，运行2 min后，按照1 000 r/min的加速度减速至转速为0。

4.2 测试结果

在测试阶段，为了提高测试结果的分析价值，本文设置了对照组，分别采用陈剑锋等[3]设计的基于DSP的控制系统和于洋等[4]设计的基于自适应神经网络的控制系统。在相同的试验台下，按照4.1部分设置的控制目标，分别实施对无刷直流电动机和直流电动机的转速控制，获取三种不同控制系统下的稳态误差。测试结果如图3所示。

通过对图3中的数据信息进行分析可以看出，在三个控制系统的作用下，无刷直流电动机的实际转速控制存在一定的差异。所提方法稳态误差接近于0，具有较好的自适应控制效果。而陈剑锋等[3]设计的基于DSP的控制系统稳态误差接近于0.2，于洋等[4]设计的基于自适应神经网络的控制系统方法虽然稳态误差接近于0，但是在转速为1 800 r/min时稳态误差达到0.9。相比之下，在本文设计的控制系统下直流电动机转速控制较好，在多种转速模式下均可以保持稳定运行。这是因为本文系统根据控制偏差对PID的比例控制参数、积分控制参数、微分控制参数进行了在线修正，提高了系统动态响应效果。测试结果表明，本文设计的基于PID的直流电动机转速控制系统可以实现对电动机转速的高精度控制，对于实际的电动机控制管理具有良好的应用价值。

5 结语

在对直流电动机转速进行控制的过程中，准确获取当前电动机的实际运行数据是保证相关控制措施能够准确执行的基础。在此基础上，实施高精度的控制措施是保障电动机运行参数满足应用需求的关键。本文提出基于PID的直流电动机转速控制系统设计研究，设计功能模块作为系统的硬件，借助PID控制理论对系统的软件进行设计，切实实现了对直流电动机转速的高精度控制，降低了稳态误差。保障了直流电动机运行状态的稳定性。在之后的研究中，可以进一步深化系统的适应性设计，以确保能够满足更多类型电动机的控制需求，提高系统的应用范围和应用价值。